谷歌的物理學家們在通往實用量子計算機的道路上達到了他們所謂的第二個里程碑。在加利福尼亞州聖巴巴拉的一個實驗室裡，他們證明，透過擴大量子程式碼，他們可以降低計算的錯誤率。
這項成果於2月22日在《自然》雜誌上報道，是對2019年一項著名的實驗的後續研究，在那次實驗中，谷歌量子計算機實現了“量子優勢”——透過執行一項在普通計算機上需要花費數千年才能完成的計算。
如果量子計算機要實現其解決經典計算機無法解決的問題的承諾——例如將大的整數分解為質數，或理解化學催化劑的詳細行為，那麼糾錯是不可避免的要求。
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“谷歌的成就令人印象深刻，因為使用大型程式碼規模獲得更好的效能非常困難，”荷蘭代爾夫特理工大學專門研究量子糾錯的理論物理學家芭芭拉·特哈爾說。谷歌研究人員承認，改進仍然很小，錯誤率還需要大幅下降。“它下降了一點；我們需要它大幅下降，”谷歌總部位於加利福尼亞州山景城的量子計算部門負責人哈特穆特·內文在新聞釋出會上說。
糾正錯誤
所有計算機都容易出錯。普通計算機晶片將資訊儲存在位元（可以表示 0 或 1）中，並將部分資訊複製到冗餘的“糾錯”位元中。當錯誤發生時——例如，由於雜散電子穿過不完善的絕緣屏障，或者宇宙射線粒子干擾電路——晶片可以自動發現問題並修復它。
“在量子資訊中，我們不能這樣做，”谷歌量子硬體主管朱利安·凱利在新聞釋出會上說。量子計算機基於稱為量子位元的量子態，量子位元可以存在於“0”和“1”狀態的混合中。量子位元無法在不完全丟失其量子態的情況下被讀取出來，這意味著其資訊不能簡單地複製到冗餘量子位元上。
但是，理論學家已經開發出精細的“量子糾錯”方案來解決這個問題。這些方案通常依賴於將一個量子位元的資訊——稱為邏輯量子位元——編碼到一組物理量子位元而不是單個量子位元中。然後，機器可以使用一些物理量子位元來檢查邏輯量子位元的健康狀況並糾正任何錯誤。物理量子位元越多，它們抑制錯誤的能力就越強。“使用多個量子位元進行量子糾錯的優勢在於它可以擴充套件，”特哈爾說。
但是，新增更多物理量子位元也會增加其中兩個量子位元同時受到錯誤影響的可能性。為了解決這個問題，谷歌研究人員執行了兩個版本的量子糾錯程式。一個使用 17 個量子位元，能夠一次從一個錯誤中恢復。一個更大的版本使用了 49 個量子位元，可以從兩個同時發生的錯誤中恢復，並且效能比小版本略好。“目前的改進非常小，而且尚不能保證使用更大的程式碼會帶來更好的效能，”特哈爾說。
新加坡地平線量子的物理學家喬·菲茨西蒙斯說，各個實驗室在有效糾錯方面取得了重大進展，谷歌的最新成果具有許多必需的特性。但是，量子位元還需要儲存資訊足夠長的時間，以便計算機執行計算，而谷歌的團隊尚未實現這一壯舉。“為了令人信服地演示可擴充套件的糾錯，我們希望看到壽命的提高”，隨著系統的擴充套件，菲茨西蒙斯說。
谷歌為自己設定了量子計算路線圖，包含六個關鍵里程碑。量子優勢是第一個，最新的結果是第二個。第六個里程碑是由一百萬個物理量子位元組成的機器，編碼 1,000 個邏輯量子位元。“在那個階段，我們可以自信地承諾商業價值，”內文說。
超導量子位元只是構建量子計算機的幾種方法之一，內文說，谷歌仍然認為它最有機會成功。“如果非常清楚另一種方法能讓我們更快地獲得有用的量子計算機，我們會立即轉向。”
本文經許可轉載，並於 2023 年 2 月 22 日首次發表。